JP4134837B2 - 摩擦接合方法および摩擦接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属を接合するために用いられる摩擦接合方法およびその摩擦接合方法により形成される摩擦接合構造に関する。

摩擦接合方法として、一般に、特許文献１に示すように、重ねられた同種の金属部材のうち、該金属部材の重ね方向一方側における一方の金属部材に対して回転ツールを当接させて、該重ねられた同種の金属部材に対して、該金属部材の重ね方向他方側に向けて加圧力を付与すると共に該回転ツールの加圧軸心を中心とした回転力を付与するものがある。このものによれば、回転ツールの加圧と回転とにより、回転ツールと金属部材との間に摩擦熱が発生し、その摩擦熱により金属部材が軟化され、その金属部材内に回転ツールが進入されることになる。この回転ツールは、金属部材内における重ね面付近で塑性流動を引き起こすことになり、重ねられた金属部材は、その重ね面付近でスポット的に一体化することになる。しかし、この接合方法では、鋼板などの硬質な異種材を回転ツールで塑性流動させることは困難であり、接合強度として大きな値を得ることはできず、接合強度は満足できるものではない状況にある。

このような事情を考慮して、近時、特許文献２に示すように、異種の金属部材間に合金材料を介在させ、上記回転ツールによる回転に基づく摩擦熱と塑性流動とにより、金属部材と合金材料とを互いに拡散させ、これにより、合金材料を介して異種の金属部材同士を一体化するものが提案されている。

特開２００１−３１４９８２号公報 特開２００２−６６７５９号公報

しかし、上記特許文献２に係るものにおいては、特許文献１に係るものより接合強度の向上は見られるものの、強度的に十分でない合金材料が新たに介在され、その合金材料の強度に接合強度が主として依存されることになっており、異種の金属部材同士の接合強度に関しては、この場合も十分に満足できる状況にはない。

本発明は以上のような事情に鑑み、酸化膜の存在が接合強度を低下させる原因であるということに着目してなされたもので、その第１の技術的課題は、重ねられた異種の金属部材同士の接合強度を向上させることができる摩擦接合方法を提供することにある。
第２の技術的課題は、重ねられた異種の金属部材同士の接合強度を向上させることができる摩擦接合構造を提供することにある。

前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）にあっては、
重ねられた異種の金属部材のうち、該金属部材の重ね方向一方側における一方の金属部材に対して回転ツールを当接させて、該重ねられた異種の金属部材に対して、該金属部材の重ね方向他方側に向けて加圧力を付与すると共に該回転ツールの加圧軸心を中心とした回転力を付与する摩擦接合方法において、
前記金属部材として、接合すべき接合面において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆されたものを用意し、
前記回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動によって、前記酸化防止膜を該金属部材の接合すべき接合面の周囲に押し出すことで、前記異種の金属部材同士の接合面間に、その接合に際し、酸化膜が存在しない状態とし、
その後、摩擦熱及び塑性流動によって、一方の金属部材を他方の金属部材に固相接合する構成としてある。

この請求項１の好ましい態様としては、請求項２〜５記載の通りとなる。

前記第２の技術的課題を達成するために本発明（請求項６に係る発明）にあっては、
異種の複数の金属部材が、接合すべき接合面において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆された状態をもって用意され、その異種の金属部材が、前記接合すべき接合面が互いに当接するようにしつつ重ねられた状態とされ、その重ねられた異種の金属部材のうち、該金属部材の重ね方向一方側における一方の金属部材に対して回転ツールを当接させて、該重ねられた異種の金属部材に対して、該金属部材の重ね方向他方側に向けて加圧力を付与すると共に該回転ツールの加圧軸心を中心とした回転力を付与することにより得られる摩擦接合構造であって、
前記異種の金属部材同士の接合面間に、前記回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動により、前記酸化防止膜を該金属部材の接合すべき接合面の周囲に押し出すことによって酸化膜が存在しない状態とされて、摩擦熱及び塑性流動により一方の金属部材が他方の金属部材に固相接合されている構成としてある。この請求項６の好ましい態様としては、請求項７記載の通りとなる。

請求項１に記載された発明によれば、異種の金属部材同士の接合面間に、その接合に際し、酸化膜が存在しない状態とすることから、該異種の金属部材の各接合面が、その金属部材自体によりそれぞれ形成され、その異種の金属部材同士が、接合に際し、酸化膜を介することなく直接、接触することになる。このため、回転ツールの加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱等に基づき、酸化膜が存在する場合に比べて、異種の金属部材間で原子の拡散が促進されることになり、重ねられた異種の金属部材同士の固相接合の接合強度を向上させることができることになる。

また、異種の金属部材として、接合すべき接合面において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆されたものを用意し、異種の金属部材同士の各接合面間に、その接合に際し、酸化膜が存在しない状態とすることが、回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動によって、前記酸化防止膜を該異種金属部材の接合すべき接合面の周囲に押し出すことであることから、回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動を酸化防止膜の除去に有効に活用して、異種の金属部材同士の直接的な接触を実現できると共に、その状態を確保した後においても、回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動を、異種金属部材間での原子の拡散促進（固相接合の接合強度向上）に有効に利用できることになる。
しかも、金属部材として、接合部において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆されたものを用意していることから、時間の経過に伴って起こる酸化を考慮する必要がなくなり、いつでも、当該摩擦接合方法を行うことができることになる。このため、当該摩擦接合方法においては、金属部材をストックしておくことができることになり、当該摩擦接合方法の使い易さを高めることができることになる。

請求項２に記載された発明によれば、金属部材が、融点が高いものほど該金属部材の重ね方向他方側に配置されていることから、金属部材の重ね方向他方側におけるものほど、回転ツールの回転に基づく摩擦熱による軟化を拒み、回転ツールの加圧力を的確に受け止めることができることになる。その一方、重ね方向他方側に配置される金属部材の酸化防止膜ほど、融点が低く、しかも、その酸化防止膜の融点が、該酸化防止膜よりも該金属部材の重ね方向一方側に配置される該金属部材の融点よりも低くされていることから、上記摩擦熱により酸化防止膜の軟化を的確に行うことができることになり、回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動によって、酸化防止膜を金属部材の接合すべき接合面の周囲に円滑に押し出すことができることになる。このため、異種の金属部材同士の直接的な接触を確実に実現し、この後、回転ツールの加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動を利用して、重ねられた異種金属部材同士の固相接合の接合強度を向上させることができることになる。

請求項３に記載された発明によれば、異種の金属部材が２種類からなり、一方の金属部材がアルミニウム部材からなり、他方の金属部材が鋼部材からなることから、このような具体的な異種の金属部材であっても、的確に前記請求項２等と同様の作用効果を得ることができることになる。

請求項４に記載された発明によれば、一方の金属部材であるアルミニウム部材に酸化防止膜が形成されていないことに基づき、そのアルミニウム部材には酸化膜が形成されることになるが、そのアルミニウム合金部材の酸化膜は、回転ツールの加圧力、該回転ツールの回転に基づく塑性流動等により簡単に破壊されて、接合すべき接合面から外部に押し出されることになる。その一方、鋼部材における酸化防止膜は、回転ツールの加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動により、軟化された状態をもって接合部から外部に押し出されることになる。このため、この場合においても、アルミニウム部材と鋼部材とを酸化膜を介在させることなく直接接触させ、この後、回転ツールの加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動を利用して、アルミニウム部材と鋼部材との固相接合の接合強度を向上させることができることになる。

請求項５に記載された発明によれば、酸化防止膜が亜鉛系の金属メッキ層であることから、その亜鉛系の金属メッキ層をもって、具体的に請求項４と同様の作用効果を得ることができることになる。

請求項６に記載された発明によれば、前記請求項１に係る方法を用いることにより得られる摩擦接合構造を提供できることになる。

請求項７に記載された発明によれば、前記請求項４に係る方法を用いることにより得られる摩擦接合構造を提供できることになる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
先ず、本発明に係る方法を説明する前に、本発明に係る方法を実施する具体的な接合装置について説明する。

図１は、第１実施形態に係る接合装置Ａの概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車ボディ等に用いられるアルミニウム合金等からなるアルミニウム板（一方の金属部材）Ｗ１と鋼板（他方の金属部材）Ｗ２とを金属部材Ｗとして、その両板面を重ねた状態で接合するために用いられる。この接合装置Ａは、ロボット２と、そのロボット２の手首に取付けられる接合ガン１と、それらを制御する制御盤３とを備えている。

前記ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。このロボット２は、接合ガン１を、前記アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合位置に位置づける機能を有している。

前記接合ガン１は、図２に示すように、前記アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合するべく、接合用工具６として、回転ツール４と、受け具５とを備えている。回転ツール４は、接合軸Ｘ上に配設されており、この回転ツール４は、加圧軸モータ１２により加圧のために上記接合軸Ｘに沿って昇降動されると共に、回転軸モータ１１により接合軸Ｘを中心として回転されることになっている。上記回転軸モータ１１としては、インダクションモータやサーボモータが用いることができ、上記加圧軸モータ１２としては、サーボモータを用いることができる。受け具５は、前記回転ツール４に対向して配置されており、この位置状態は、略Ｌ字状のアーム１３を利用し、その先端に受け具５を取付けることにより保持されている。尚、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能に取付けられている。

上記接合ガン１における回転ツール４と受け具５とについて、図３に基づいて具体的に説明する。
回転ツール４は、本体部４ａと、センタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を主目的としたピン部４ｂとを一体的に有している。本体部４ａは、略円柱状に形成され、その配置は、その軸心が前記接合軸Ｘに合致するように設定されている。この本体部４ａの先端面は、全体的にやや浅めの凹所４ｃを形成しており、その凹所４ｃは本体部４ａの径方向内方に向かうに従って深くなっている。ピン部４ｂは、その軸心が本体部４ａの軸心（接合軸Ｘ）に合致するように配置されつつ、本体部４ａよりも小径となるようにして該本体部４ａ先端面から突出されており、その先端面は平坦面に形成されている。この場合、この先端面の形状は、より好ましくは、曲率半径４０ｍｍ程度の曲面形状がよく、これにより、回転ツール４の回転時に求心力が発生して押し込みがスムーズとなる。勿論この他に、この回転ツール４の別の態様として、全体的に円柱状とされてその先端面が平坦なもの、全体的に円柱状とすると共に、その先端面の周縁部付近をやや丸みをもたせたようなもの（図４参照）、上記実施形態に係るものおいて、本体部４ａ先端面を外に向けてやや膨らませたような形状のもの（図５参照）を用いてもよい。
受け具５は、前記回転ツール４における本体部４ａと略同径とされた略円柱状に形成されており、その先端面５ａは平坦面に形成されている。

前記制御盤３は、図１に示すように、前記ロボット２にハーネス３１を介して接続されると共に、前記接合ガン１に、ハーネス３３、中継ボックス３４、ハーネス３２を介して接続されている。この制御盤３は、ロボット２の６軸と、接合ガン１における回転軸モータ１１及び加圧軸モータ１２の２軸の合計８軸を同期制御するように構成されている。

次に、上記接合装置Ａを用いて、金属部材Ｗの接合方法について具体的に説明する。この接合方法は、接合すべき金属部材Ｗとして、異種材料のもの、特に軟質性が相対的に異なるものに対して適用できることになっており、本実施形態においては、前述の如く、一方の金属部材であるアルミニウム板（アルミニウム合金板を含む）Ｗ１，他方の金属部材である鋼板Ｗ２が接合すべき金属部材Ｗとされている。鋼板Ｗ２には、接合すべき接合面において、予め、酸化膜の生成を防止する亜鉛系の金属メッキ層（亜鉛合金メッキ層を含む）である亜鉛メッキ層（酸化防止膜）１５が形成され、アルミニウム板には、本実施形態においては、酸化防止膜の生成処理が施されておらず、アルミニウム板の接合面には、通常雰囲気下で生成される酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）が形成されることになっている。

先ず、接合すべきアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが、所定の状態で所定位置に固定される。これは、ロボット２の作業領域における所定位置に固定される図示を略す治具に、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とをセットすることにより行われることになっており、このセットにおいて、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合すべき部分が互いに重ねた状態とされ、その両者Ｗ１，Ｗ２の接合すべき個所において、鋼板Ｗ２に形成された亜鉛メッキ層１５が介在されることになる。

次に、図３に示すように、接合ガン１がロボット２によって所定の接合位置に位置づけられる。すなわち、接合ガン１が、受け具５を鋼板Ｗ２に対向させるように配置させつつ、その受け具５と回転ツール４との間に金属部材Ｗの接合位置を位置させるように移動され、その接合ガン１の接合軸Ｘ上に金属部材Ｗの接合位置が位置される。そしてこの後、接合ガン１が移動されて、受け具５の先端面５ｂが鋼板Ｗ２に当接される。

次に、図６に示すように、回転状態の回転ツール４の先端面と受け具５とにより金属部材Ｗが把持される。すなわち、回転ツール４は、接合軸Ｘを中心とした回転状態を維持しつつ受け具５に向けて移動され、回転ツール４のピン部４ｂが先ず、アルミニウム板Ｗ１に当接して位置決めし、その後すぐに、本体部４ａ先端が当接して、回転状態の回転ツール４の先端面と受け具５とは、金属部材Ｗを把持する。これにより、比較的融点の低いアルミニウム板Ｗ１と回転ツール４との間に摩擦熱が発生することになり、その摩擦熱によりアルミニウム板Ｗ１は軟化することになる。

次に、回転ツール４は、回転状態を維持しつつ、さらに受け具５に向けて移動され、該回転ツール４は、図７に示すように、軟化したアルミニウム板Ｗ１内に進入することになる。これに伴い、回転ツール４と接触圧力の高い部分のアルミニウムが該回転ツール４の回転によりせん断され、このせん断された部分へ、摩擦熱を受けて軟化した亜鉛メッキ（亜鉛メッキ層）が拡散される。

次いで、図８に示すように、回転ツール４の加圧により、アルミニウム板Ｗ１は塑性変形し、せん断部は外周へ広がる。同時にアルミニウム板とＷ１と鋼板Ｗ２との界面に残った亜鉛メッキ層１５も外周へ排出される。このとき、アルミニウム板Ｗ１表面（接合すべき接合面）に酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）が存在するが、この酸化膜は、その性質が脆性であることから、上記塑性変形（塑性流動）に基づき破壊され、これにより、アルミニウム板Ｗ１には、新生面（酸化膜に覆われずアルミニウム自体からなる面）が形成される。

次いで、図９に示すように、鋼板Ｗ２表面の亜鉛メッキ層１５は、一部がアルミニウム中に取り込まれ、残りは回転ツール４の加圧力により外周へ排出される。これにより、亜鉛メッキ層１５がなくなった範囲では、酸化膜が破壊されて新生面が露出するアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の新生面とが直接、接触（接合）することになり、亜鉛メッキ層１５が残存する外周部においては、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とは、亜鉛−アルミ−鉄化合物を介して接合することになる。

この後、設定時間が経過すると、回転ツール４と受け具５とは、金属部材Ｗからそれぞれ離間され、それらは、次の処理のために待機される。

したがって、上記接合方法においては、回転ツール４を利用してアルミニウム板Ｗ１の新生面が形成され（酸化膜の破壊）、その後直ちに（短時間に）、回転ツール４に基づく加圧力、摩擦熱、塑性流動により、亜鉛メッキ層１５が押し出されて、鋼板Ｗ２表面に新生面が露出することになり、アルミニウム板Ｗ１の新生面と鋼板Ｗ２の新生面とは、酸化することなく直接接触することになる。このため、この状態の下で、接合（摩擦接合）が行われることになり、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との固相接合の接合強度は向上されることになる。

上記本案の接合状態は、図１０〜図１９に基づく写真により確認することができる。図１０は電気Ｚｎメッキ鋼板に対して回転ツール４を０．５ｍｍ押し込んだときの接合部断面マクロ写真（倍率：図示参照）を示し（図１０の右上部分の図をもって囲い線により該当部分を示す）、図１１〜図１４には、図１０中のＡ〜Ｄ位置付近の金属顕微鏡写真を示す（倍率：図示参照）。これによれば、接合端に近いＡ部及びＢ部にはアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間に中間層が認められた。しかし、Ｃ部及びＤ部ではアルミニウムと板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが直接接触しており、中間層は認められなかった。

上記Ａ部に認められた中間層について、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）成分分析を行ったところ、その中間層は、図１５（SEM像）〜図１９に示すように、アルミニウム（図１６参照）、亜鉛（図１７参照）及び酸素（図１９参照）が混在したものであった（なお、鉄については図１８参照）。これは、回転ツール４とアルミニウム板Ｗ１との摩擦熱により軟化した亜鉛メッキが回転ツール４の加圧力によりアルミ母材の一部と共に外周へ排出されたものと考えられる。

上記Ｂ部に認められた中間層については、ＥＰＭＡ成分分析から、その中間層は、図２０からも明らかなように、外周へ排出されずに残存した亜鉛メッキ中にアルミニウム及び鉄が拡散し生成された化合物であると考えられる。

上記Ｃ部については、ＥＰＭＡ成分分析により、図２１からも明らかなように、一部の亜鉛メッキはアルミ中に取り込まれ、また、一部は回転ツール４の加圧力により外周へ排出されて、亜鉛メッキはほとんど無くなり、アルミニウム板Ｗ１（新生面）と鋼板Ｗ２（新生面）とは直接接触しているものと考えられる。

上記本案の接合方法に基づく接合強度の向上は、めっきの有無、めっき種の違い、めっき融点違い等からも確認できる。表１に種々のめっき種が施された供試材が示されているが、この各供試材を相手方部材としてアルミニウム板Ｗ１（ＪＩＳ６０００系アルミニウム板）に対して下記共通実験条件の下で摩擦接合により接合し、それについて、図２２に示すように、相反する方向に引っ張る引張試験機により引張せん断荷重を測定した。

共通実験条件
１）回転ツールの形状：ピン部を有し、径が１０ｍｍの回転ツール
２）回転ツールの押込み深さ：０．３５ｍｍ
３）回転ツールの回転速度：１５００ｒｐｍ

この実験の結果は、図２３，図２４に示されている。これらによれば、鋼板に対する酸化膜（酸化鉄）の有無の結果により、基本的に、酸化膜がない方が引張りせん断荷重を高めることに有効であることを示すと共に、一部融点の高いめっき種を有する供試材（Ｎｏ．７）について例外はあるものの、一般的に、鋼板の融点よりも低い融点となるめっき種を有するものほど、高い引張りせん断荷重を示した。回転ツール４に基づく摩擦熱により軟化し易いものほど、回転ツール４の加圧力、塑性流動により排出されやすくなり、これにより、酸化膜のない新生面同士が直接、固相接合されることが促進されるためと考えられる。

なお、図２４において、鉄板表面を表面研削することにより酸化膜を除去した上で接合を行った場合に比し、鋼板に亜鉛系のメッキ層を形成して接合を行った場合の方が接合強度（せん断強度）が高い。これは、固相接合部の外周に押し出された亜鉛がアルミニウムと鉄との化合物を生成し、この化合物層が接合面積の増加に寄与して接合強度を高めていると考えられる。

上記本案の接合方法に基づく接合強度の向上、その他の技術的優位性は、比較例（特開２００２−６６７５９号公報）との比較からも確認できる。
１）引張りせん断荷重について
先ず、本案の接合強度の技術的優位性を確認するために、本案の接合方法により得られるもの（接合された一体化物）と、比較例に係る方法により得られるものとについて、引張りせん断荷重を測定した（図２２参照）。ここで、比較例は、従来技術の欄でも述べたように、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間に合金材料を介在させたもの、具体的には、鋼板Ｗ２の表面に電気亜鉛めっき層を設けたものを用いることにより、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間に電気亜鉛めっき層を介在させ、それに対して、本案と同じ摩擦接合条件の下で摩擦接合を、めっき層が残るようにしつつ行った。より具体的には、表２及び下記実験条件の下で実験が行われた。尚、表２において、比較例の接合時間（回転ツール４が所定の押し込み量又は加圧力に到達してからの保持時間）については、この比較例においては、合金化反応を起こさせる関係上、本案よりもかなり長い３０（秒）とした。

共通実験条件
回転ツール先端径：１０ｍｍ条件
回転ツールの回転数：２０００ｒｐｍ
回転ツールの押し込み量：本案は板厚の２０％、比較例は板厚の５％

この実験結果が図２５に示されている。この図２５によれば、引張りせん断荷重は、本案が比較例に比して格段に大きい値を示し、本案が比較例に比して優れていることを示した。

２）接合時間（回転ツール４が所定の押し込み量又は加圧力に到達してからの保持時間）について
本案の接合方法においては、図２６に示すように、０秒から良好な接合強度を得ることができる一方、その接合時間を延ばしても、接合強度はほとんど変化しない。具体的には、生産性を考慮すると、０〜１０秒が好ましい。これに対して、前述の比較例（特開２００２−６６７５９号公報）においては、合金化反応のために接合時間として２０秒以上が必要となり、この点、換言すれば、生産性の点から、本案は比較例に比して優れたものとなっている。

上記本案の接合方法は、その使用に際して、下記条件について好ましい範囲を有している。
１）回転ツールの押し込み量
押し込み量の下限値については、図２７に示すように、上側板材（本実施形態においてはアルミニウム板Ｗ１：この場合も符号Ｗ１を使用する）の元板厚の１０％以上、より好ましくは２０％以上がよい。「１０％以上」としたのは、本案の接合方法では鋼板のめっき層を除去する必要があるが、ほぼ元板厚の１０％の押し込み量で５０％以上のめっき層の除去が可能であり、要求下限レベルの強度が得られるからである。「２０％以上」がより好ましいとしたのは、ほぼ１００％のめっき層の除去が可能であり、高い接合強度が得られるからである。
押し込み量の上限値については、回転ツール４の摩耗、損傷を回避するため、下側板材（本実施形態においては鋼板Ｗ２：この場合も符号Ｗ２を使用する）と接触しないのが好ましい。但し、回転ツール４が下側板材Ｗ２と当接しても、図２８に示すように、上側板材Ｗ１と下側板材Ｗ２との間にドーナツ状の一定の接合面積の接合面（新生面同士の接合）１６を確保して接合強度を適正に保つことは可能であり、回転ツール４が下側板材Ｗ２と接触しないことは、押し込み量についての上限値の絶対値を示すものではない。

２）回転ツールの回転数
回転ツール４の回転数は、下記実験条件の下で、押し込み量と関係を調べたところ、表３に示す関係を得た。また、この評価に際しては、表４に示すを基準（接合強度）を用いた。
実験条件
使用部材：アルミニウム板（６０００系合金）、厚み１ｍｍ
：亜鉛めっき鋼板、厚み０．７ｍｍ
接合時間：１秒
回転ツール径：１０ｍｍ
回転ツールのピン部の長さ：０．５ｍｍ

表３の結果によれば、押し込み量を考慮することにより、必ずしも、回転ツール４を高回転（例えば１５００ｒｐｍ以上）させる必要がないことを示した。このため、この点で、本案に係る接合方法は、合金化反応のために高い温度を確保するために高回転が必要となる前述の比較例に比して、経済性等の点から有利となる。

以上実施形態について説明したが本発明にあっては、次のような態様を包含する。
１）アルミニウム板Ｗ１にも、酸化膜の生成を防止するべく、めっき層を形成すること。
２）鋼板Ｗ２（他方の金属部材）に亜鉛メッキ層を形成することに代えて、アルミニウム板Ｗ１（一方の金属部材）と鋼板Ｗ２とを摩擦接合することに先立ち、表面研削等の酸化膜除去作業により、鋼板Ｗ２から酸化膜を除去すること。
３）接合すべき金属部材を３以上とすること。

尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或いは利点として載されたものに対応したものを提供することをも含むものである。

実施形態に係る接合装置の概略構成を示す図。 実施形態に係る接合ガンの概略構成を示す図。 実施形態に係る接合用工具を示す図。 回転ツールの変形例を示す図。 回転ツールのさらに変形例を示す図。 図３の状態に続く接合工程を示す図。 図６の状態に続く接合工程を示す図。 図７の状態に続く接合工程を示す図。 図８の状態に続く接合工程を示す図。 電気Ｚｎメッキ鋼板に対して回転ツールを０．５ｍｍ押し込んだときの接合部断面マクロ写真 図１０中のＡ位置付近を示す金属顕微鏡写真（接合部境界断面写真） 図１０中のＢ位置付近を示す金属顕微鏡写真（接合部境界断面写真） 図１０中のＣ位置付近を示す金属顕微鏡写真（接合部境界断面写真） 図１０中のＤ位置付近を示す金属顕微鏡写真（接合部境界断面写真） 図１０中のＡ位置付近のＳＥＭ像を示す走査型電子顕微鏡写真 図１０中のＡ位置付近のＡｌの存在を示す走査型電子顕微鏡写真 図１０中のＡ位置付近のＺｎの存在を示す走査型電子顕微鏡写真 図１０中のＡ位置付近のＦｅの存在を示す走査型電子顕微鏡写真 図１０中のＡ位置付近のＯの存在を示す走査型電子顕微鏡写真 図１０中のＢ位置付近の状態を走査型電子顕微鏡写真及び成分分布をもって説明する説明図。 図１０中のＣ位置付近の状態を走査型電子顕微鏡写真及び成分分布をもって説明する説明図。 引張りせん断荷重（接合強度）を測定するための引張り試験方法を説明する図。 めっき種が引張りせん断荷重に及ぼす影響を示す図。 めっき種の融点が引張りせん断荷重に及ぼす影響を示す図。 本案に係る接合方法を用いた場合の引張りせん断荷重（接合強度）と比較例を用いた場合の引張りせん断荷重を比較する図。 本案に係る接合方法の接合時間と引張りせん断荷重（接合強度）との関係を示す図。 本案に係る接合方法の押し込み量とめっき残存率との関係を示す図。 本案に係る接合方法の押し込み量の上限値を説明する図。

符号の説明

１ 接合ガン
４ 回転ツール
６ 接合用工具
１５ 亜鉛めっき層
Ｗ 金属部材
Ｗ１ アルミニウム板
Ｗ２ 鋼板

Claims (7)

1. 重ねられた異種の金属部材のうち、該金属部材の重ね方向一方側における一方の金属部材に対して回転ツールを当接させて、該重ねられた異種の金属部材に対して、該金属部材の重ね方向他方側に向けて加圧力を付与すると共に該回転ツールの加圧軸心を中心とした回転力を付与する摩擦接合方法において、
   前記金属部材として、接合すべき接合面において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆されたものを用意し、
   前記回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動によって、前記酸化防止膜を該金属部材の接合すべき接合面の周囲に押し出すことで、前記異種の金属部材同士の接合面間に、その接合に際し、酸化膜が存在しない状態とし、
   その後、摩擦熱及び塑性流動によって、一方の金属部材を他方の金属部材に固相接合する、
   ことを特徴とする摩擦接合方法。
2. 請求項１において、
   前記金属部材が、融点が高いものほど該金属部材の重ね方向他方側に配置され、
   前記金属部材には、該金属部材の重ね方向他方側に配置されるものほど、融点が低い酸化防止膜が被覆され、
   しかも、前記酸化防止膜の融点は、該酸化防止膜よりも該金属部材の重ね方向一方側に配置される該金属部材の融点よりも低くされている、
   ことを特徴とする摩擦接合方法。
3. 請求項２において、
   前記異種の金属部材が２種類からなり、
   前記一方の金属部材がアルミニウム部材からなり、
   前記他方の金属部材が鋼部材からなる、
   ことを特徴とする摩擦接合方法。
4. 請求項１において、
   前記異種の金属部材が２種類からなり、
   前記一方の金属部材がアルミニウム部材からなり、
   前記他方の金属部材が鋼部材からなり、
   前記アルミニウム部材として、酸化防止膜が形成されていないものが用意されている、
   ことを特徴とする摩擦接合方法。
5. 請求項４において、
   前記酸化防止膜が、亜鉛系の金属メッキ層とされている、
   ことを特徴とする摩擦接合方法。
6. 異種の複数の金属部材が、接合すべき接合面において、酸化膜の生成を防止する酸化防止膜が被覆された状態をもって用意され、その異種の金属部材が、前記接合すべき接合面が互いに当接するようにしつつ重ねられた状態とされ、その重ねられた異種の金属部材のうち、該金属部材の重ね方向一方側における一方の金属部材に対して回転ツールを当接させて、該重ねられた異種の金属部材に対して、該金属部材の重ね方向他方側に向けて加圧力を付与すると共に該回転ツールの加圧軸心を中心とした回転力を付与することにより得られる摩擦接合構造であって、
   前記異種の金属部材同士の接合面間に、前記回転ツールによる加圧力、該回転ツールの回転に基づく摩擦熱及び塑性流動により、前記酸化防止膜を該金属部材の接合すべき接合面の周囲に押し出すことによって酸化膜が存在しない状態とされて、摩擦熱及び塑性流動により一方の金属部材が他方の金属部材に固相接合されている、
   ことを特徴とする摩擦接合構造。
7. 請求項６において、
   前記異種の金属部材が２種類からなり、
   前記一方の金属部材が、酸化防止膜が形成されていないアルミニウム部材からなり、
   前記他方の金属部材が鋼部材からなる、
   ことを特徴とする摩擦接合構造。